POF-Transceiver und PHY

Was in einem POF-Konverter steckt: eine rote Leuchtdiode, eine Photodiode – und bei Gigabit ein Signalprozessor, der die Faser rechnerisch schneller macht, als sie ist.

Definition

Eine POF-Strecke braucht an jedem Ende zwei Funktionsblöcke:

• den Transceiver oder FOT (Fiber Optic Transceiver) – die Optoelektronik, die elektrische Signale in Licht wandelt und zurück. In der Ethernet-Terminologie ist das die PMD-Schicht (Physical Medium Dependent) samt Medienschnittstelle.
• den PHY – den Baustein, der die Bits codiert, moduliert, entzerrt und zum MAC durchreicht. In der Ethernet-Terminologie die Schichten PCS (Physical Coding Sublayer) und PMA (Physical Medium Attachment).

Ob beide in einem Chip stecken oder getrennt sind, hängt an der Datenrate – und genau dort verläuft die interessanteste Grenze im POF-Ökosystem.

Fast Ethernet: Standard-PHY plus POF-Optik

Bei 100 Mbit/s über POF gibt es keinen POF-spezifischen PHY. Übertragen wird nach 100BASE-FX, dem Glasfaser-Verfahren aus IEEE 802.3u mit 4B/5B-Codierung und NRZI – für einen Ethernet-Baustein ist es gleichgültig, ob am Ende eine Glas- oder eine Kunststofffaser hängt. POF-spezifisch ist allein der Transceiver.

Der verbreitetste ist der OptoLock-Transceiver von Firecomms (Cork, Irland). Er enthält:

• Sendeseite: eine RCLED (Resonant Cavity LED) bei 650 nm mit kleiner Abstrahlfläche, passend zum 1-mm-Kern, plus integrierten CMOS-Treiber. Typische Sendeleistung −5,5 dBm, Spektralbreite rund 24 nm.
• Empfangsseite: PIN-Photodiode mit Transimpedanzverstärker, Begrenzerverstärker und automatischer Verstärkungsregelung in CMOS, Empfindlichkeit um −24 dBm.
• Schnittstelle: LVPECL, per einfacher AC-Kopplung an die Datenpins eines handelsüblichen 100BASE-FX-PHY. Ein Signal-Detect-Ausgang meldet dem PHY, ob Licht anliegt.
• Mechanik: die steckerlose Klemmaufnahme für 2,2-mm-POF, die dem Bauteil den Namen gibt.

Daraus ergibt sich ein optisches Budget von rund 18 dB, spezifiziert für 50 m Stufenindex-POF, Betriebstemperatur −40 bis +85 °C. Der Empfänger ist bei 0 dBm übersteuert – auf sehr kurzen Strecken kann zu viel Licht ebenso stören wie zu wenig.

Ein Baustein, der PHY und Transceiver für Fast Ethernet zusammenfasst, existiert ebenfalls: Microdul (Zürich, hervorgegangen aus Innodul) bietet mit ID100 und ID200 POF-Interface-ICs, die neben dem optischen Frontend einen kompletten 10/100/1000-MAC mit MII-, GMII- und RGMII-Schnittstelle enthalten. Der ID200 überträgt in einem proprietären Modus 200 Mbit/s mit Vorwärtsfehlerkorrektur, abwärtskompatibel zu 100BASE-FX. Das Datenblatt stammt aus 2014; der Zwischenschritt 200 Mbit/s ist mit dem Gigabit-Standard überholt.

Gigabit: eigener PHY nötig

Bei 1 Gbit/s reicht einfaches Ein- und Ausschalten des Lichts nicht mehr. Eine 50 m lange SI-POF hat rund 100 MHz Bandbreite; bei NRZ-Codierung wären damit etwa 200 Mbit/s erreichbar. Der Rest muss aus der Signalverarbeitung kommen.

IEEE 802.3bv-2017 (1000BASE-RH) löst das so:

• PAM-16 – sechzehn Amplitudenstufen statt zwei, bei 325 MHz Symbolrate. Jedes Symbol trägt damit vier Bit statt einem.
• Multilevel Coset Coding (MLCC) mit mehreren kombinierten BCH-Codes zur Fehlerkorrektur – dasselbe Prinzip wie bei 10GBASE-T über Kupfer.
• Tomlinson-Harashima-Precoding im Sender, kombiniert mit einem Entscheidungsrückkopplungs-Entzerrer.
• ein nichtlinearer Entzerrer im Empfänger. Das ist die POF-Besonderheit: Eine LED ist keine lineare Lichtquelle, ihre Kennlinie krümmt sich mit dem Ansteuerstrom. Was bei einem Laser entfällt, muss hier rechnerisch korrigiert werden.

Interessant ist der Vergleich des Aufwands mit den Kupfer-Verfahren derselben Generation. Weil nur eine Faser statt vier Adernpaaren läuft, entfallen Echo- und Nebensprechkompensation vollständig:

Der POF-PHY ist damit der rechenärmste der vier Gigabit-Varianten. Seine Komplexität steckt nicht in der Zahl der Filter, sondern in der nichtlinearen Entzerrung – und darin, dass die Abtastrate von 325 MHz für einen Baustein, der wenige Euro kosten soll, sportlich ist.

Nebenbei erklärt die Tabelle, warum POF für Reichweiten unter 50 m konkurrenzfähig blieb: Ein 1000BASE-T-PHY ist erheblich aufwendiger, braucht vier Aderpaare und liefert dafür 100 m.

Die Bausteine

Gigabit über POF ist praktisch ein Ein-Anbieter-Markt. KD (vormals KDPOF, Tres Cantos bei Madrid) liefert die Chipsätze:

• KD1053 – PCS und PMA eines 1000BASE-RH-PHY nach 802.3bv, QFN-56 mit 7 × 7 mm, umschaltbar zwischen 100 Mbit/s und 1 Gbit/s, parallele und serielle MAC-Schnittstellen. Latenz 6,2 µs bei Gigabit, 1,4 µs bei Fast Ethernet, jeweils von RGMII zu RGMII.
• KD9351 – der zugehörige FOT: Transimpedanzverstärker, Photodiode, LED-Treiber und LED in einem LGA-Bauteil von 8 × 7 mm, vollständig gegen elektromagnetische Einstrahlung geschirmt, −40 bis +105 °C, Vibrationsklasse V2. Der Faseranschluss ist ein aufgesetzter Kunststoffstecker, der ohne Löten einrastet.
• KD7251 – die Multi-Gigabit-Generation, aus der die Arbeit an IEEE 802.3cz hervorging.

Aus KD1053 und KD9351 entstand auch das erste SFP-Modul für 1000BASE-RH: ein Steckmodul im Standardformat, das die komplette POF-Physik enthält und über I²C nach SFF-8472 verwaltet wird. Damit lässt sich ein gewöhnlicher Switch mit SFP-Slot zu einem POF-Switch machen.

Auf der Fast-Ethernet-Seite ist der Markt breiter: Firecomms mit OptoLock und RedLink, Broadcom mit Versatile Link (HFBR) und FiberDock sowie der Transceiver-Familie QFBR für SC-RJ, dazu Microdul.

Warum LED und nicht Laser

POF-Sender arbeiten mit LEDs oder RCLEDs, nicht mit Lasern. Drei Gründe:

Der 1-mm-Kern mit numerischer Apertur 0,5 nimmt Licht aus einem weiten Winkel an – eine LED koppelt hier problemlos genug Leistung ein, während in einen 9-µm-Glasfaserkern nur ein Laser genug Licht bringt.

Bei 650 nm sind rote LEDs seit Jahrzehnten billige Massenware. Ein Laser wäre teurer, ohne einen Vorteil zu bieten.

Und drittens die Augensicherheit: POF-Transceiver sind nach IEC 60825-1 als LED Klasse 1 eingestuft – ungefährlich auch beim direkten Blick in die Faser. Ein Lasersender derselben Leistung würde in eine höhere Klasse fallen und Warnhinweise und Schutzmaßnahmen erfordern, was im Heimnetz und in der Sichtprüfung hinderlich wäre.

Der Preis dafür ist die erwähnte Nichtlinearität – der Grund für den nichtlinearen Entzerrer bei Gigabit.

Diagnose

Industrietaugliche Transceiver liefern Betriebsdaten zurück. Der SC-RJ-Transceiver QFBR-5978AZ-2 von Broadcom etwa meldet Sende- und Empfangsleistung, Temperatur und Versorgungsspannung digital; daraus berechnen PROFINET-Medienkonverter die optische Leistungsreserve und setzen unterhalb von etwa 2 dB einen Systemfehler, bevor der Link ausfällt.

Im Heimnetz fehlt dieses Fenster. Der einfache Fast-Ethernet-Transceiver liefert mit dem Signal-Detect-Ausgang nur eine binäre Aussage – Licht oder kein Licht –, und die Gigabit-PHYs kennen zwar intern eine Signalreserve, die Konverter zeigen sie aber nicht an.

Quellen

• Firecomms Ltd.: Datenblatt FB1M2KPR, Industrial Ethernet Fiber Optic OptoLock Transceiver, Revision E (RCLED 650 nm, LVPECL-Anbindung an 100BASE-FX-PHY, Budget, IEC 60825-1 LED Klasse 1)
• P. Reviriego, J. A. Maestro (UAN): SEPHY D7.1, Report on Requirements for Space Grade 1 Gbps Ethernet Transceivers, H2020 Grant 640243, Mai 2016 (PAM-16, MLCC, BCH, THP, nichtlinearer Entzerrer, Vergleich der Filterkoeffizienten)
• KD (KDPOF): Produktdaten KD1053, KD9351, KD7251, EVB9351-SFP
• Microdul AG: POF Interface IC ID100/ID200, Datenblatt
• Broadcom: QFBR-5978AZ-2 (SC-RJ-Transceiver mit digitaler Diagnose), Versatile Link, FiberDock
• IEEE 802.3bv-2017 (1000BASE-RH), IEEE 802.3u (100BASE-FX), IEC 60825-1